ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ АГРЕГАТ Российский патент 2006 года по МПК H01F30/06 H01F30/10 H01F30/12 H01F29/14 

Изобретение относится к электроэнергетике и может найти применение на электростанциях и подстанциях с трансформаторами.

На электростанциях и подстанциях устанавливают трансформаторы, которые состоят из магнитопровода, первичных и вторичных обмоток. В этих трансформаторах, невзирая на простоту и надежность их конструкции, во время длительной эксплуатации могут возникать различные повреждения. Параметр потока отказов для мощных трансформаторов составляет около 0,05 [Неклепаев Б.Н., Крючков И.П. Электрическая часть электростанций и подстанций: Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования: Учеб. пособие для вузов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 680 с., с.448]. Одними из наиболее опасных повреждений трансформаторов являются витковые короткие замыкания, во время возникновения которых ток от источника питания практически не меняется, что делает невозможным создание быстродействующих защит, основанных на принципах контролирования значений электрических координат режима. Основной защитой от витковых коротких замыканий является газовая защита. При этом повышение надежности работы трансформаторов достигается правильным расчетом изоляции, высоким технологическим уровнем завода-производителя и соблюдением правил технической эксплуатации трансформаторов [Копылов И.П. Электрические машины: Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 360 с., с.133-134].

Известен трансформаторный агрегат, который содержит два трансформатора, одни обмотки которых соединены последовательно между собой [Электрическая часть станций и подстанций: Учеб. для вузов/ А.А.Васильев, И.П.Крючков, Е.Ф.Наяшкова и др.; Под ред. А.А.Васильева. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 576 с., с.322-323, 325-326].

Однако во время витковых коротких замыканий в таком агрегате ток в закороченных витках может в десятки и сотни раз превышать номинальное значение тока обмотки, возникают недопустимый местный нагрев и большие электродинамические усилия на эти витки, происходит разрушение трансформаторов и выход их из строя, что уменьшает надежность работы трансформаторного агрегата.

В основу изобретения поставлена задача создать трансформаторный агрегат, в котором новое выполнение элементов и связей между ними позволило бы уменьшить значения токов во время витковых коротких замыканий в обмотках и тем самым повысить надежность работы трансформаторного агрегата.

Поставленная задача достигается тем, что в трансформаторном агрегате, который содержит два трансформатора, одни обмотки которых соединены последовательно между собой, согласно изобретению трансформаторы выполнены с одинаковым количеством других обмоток и с одинаковыми коэффициентами трансформации, при этом другие обмотки трансформаторов соединены между собой последовательно.

Такое выполнение трансформаторного агрегата позволяет путем параметрического увеличения его сопротивления относительно места виткового короткого замыкания обеспечить уменьшение значения тока в закороченных витках обмотки и в ветви, которая образовала такое замыкание, местного нагрева и электродинамических усилий на эти витки и тем самым повысить надежность работы трансформаторного агрегата.

Поставленная задача достигается также тем, что в трансформаторном агрегате трансформаторы выполнены с устройствами изменения количества витков обмоток.

Это позволяет дополнительно обеспечить регулирование напряжения между выводами трансформаторного агрегата и, тем самым, повысить надежность работы.

Поставленная задача достигается также тем, что в трансформаторном агрегате обмотка трансформатора соединена параллельно с выходными выводами тококомпенсирующего блока.

Это позволяет путем компенсации реактивных составляющих токов намагничивания трансформаторов обеспечить дополнительное уменьшение значения тока в закороченных витках обмотки и в ветви, которая образовала такое замыкание, и тем самым повысить надежность работы.

Поставленная задача достигается также тем, что в трансформаторном агрегате тококомпенсирующий блок выполнен с входными выводами.

Это позволяет путем компенсации активных составляющих токов намагничивания трансформаторов обеспечить дополнительное уменьшение значения тока в закороченных витках обмотки и в ветви, которая образовала такое замыкание и тем самым повысить надежность работы.

Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства объясняются фиг.1-5. На фиг.1 показан трансформаторный агрегат с двумя двухобмоточными трансформаторами; на фиг.2 - трансформаторный агрегат с двумя трехобмоточными трансформаторами; на фиг.3 - трансформаторный агрегат с двумя двухобмоточными трансформаторами, выполненными с устройствами изменения количества витков обмоток; на фиг.4 - трансформаторный агрегат с двумя двухобмоточными трансформаторами, обмотки которых соединены соответственно параллельно с выходными выводами тококомпенсирующих блоков; на фиг.5 - трансформаторный агрегат с двумя двухобмоточными трансформаторами и тококомпенсирующими блоками с входными выводами, к которым приложены напряжения.

Трансформаторный агрегат (фиг.1, 2) содержит два трансформатора 1 и 2 с одинаковыми коэффициентами трансформации. В варианте, изображенном на фиг.1, трансформаторы 1 и 2 выполнены двухобмоточными с одними 3 и 4 и другими 5 и 6 обмотками, соединенными соответственно последовательно между собой и с одними 7 и 8 и другими 9 и 10 выводами трансформаторного агрегата. В варианте, изображенном на фиг.2, трансформаторы выполнены трехобмоточными с дополнительными другими обмотками 11 и 12, соединенными соответственно последовательно между собой и, дополнительными другими выводами 13 и 14 трансформаторного агрегата. Количество дополнительных других обмоток может быть произвольным.

Трансформаторный агрегат может содержать трансформаторы, выполненные с устройствами изменения количества витков обмоток. На фиг.3 изображен вариант такого трансформаторного агрегата, который дополнительно к элементам трансформаторного агрегата на фиг.1 содержит устройства 15 и 16 изменения количества витков обмоток 3 и 4 трансформаторов 1 и 2.

Трансформаторный агрегат может содержать один и более тококомпенсирующих блоков с выходными выводами, которые присоединены параллельно к обмоткам трансформаторов. На фиг.4 изображен вариант такого трансформаторного агрегата, который дополнительно к элементам трансформаторного агрегата на фиг.1 содержит тококомпенсирующие блоки 17-20, выходные выводы 21-28 которых присоединены параллельно соответственно к обмоткам 3-6 трансформаторов 1 и 2. Тококомпенсирующие блоки 17-20 могут содержать резистивные и реактивные элементы, управляемые и неуправляемые коммутационные аппараты и защитные устройства.

Трансформаторный агрегат может содержать тококомпенсирующие блоки, выполненные с входными выводами, к которым приложены напряжения. На фиг.5 изображен вариант такого трансформаторного агрегата, который содержит все элементы трансформаторного агрегата на фиг.4, при этом тококомпенсирующие блоки 17-20 выполнены соответственно с входными выводами 29-36, к которым приложены напряжения.

Трансформаторный агрегат работает так:

Во время нормальных режимов трансформаторного агрегата (фиг.1), при условии отсутствия витковых коротких замыканий в обмотках 3-6 трансформаторов 1 и 2 имеет место следующее: в обмотках 3 и 4, 5 и 6 протекают соответственно одинаковые токи, поэтому эти обмотки должны быть рассчитаны на соответственно одинаковые номинальные значения токов; токи обмоток 3 и 5 трансформатора 1, приведенные к числу витков одной из этих обмоток, отличаются между собой на приведенное к этому же числу витков значение тока намагничивания трансформатора 1; токи обмоток 4 и 6 трансформатора 2, приведенные к числу витков одной из этих обмоток, отличаются между собой на приведенное к этому же числу витков значение тока намагничивания трансформатора 2; токи намагничивания трансформаторов 1 и 2 имеют активные и реактивные составляющие; напряжения между выводами 7 и 8, 9 и 10 распределяются соответственно между обмотками 3 и 4, 5 и 6 в зависимости от характеристик намагничивания соответственно трансформаторов 1 и 2, а приведенные значения напряжений между этими выводами отличаются между собой на приведенные значения падений напряжений на активных сопротивлениях и реактансах рассеивания обмоток 3-6 трансформаторов 1 и 2.

Во время продольного короткого замыкания всех витков одной из обмоток 3-6 одного из трансформаторов 1 и 2 возможно продолжение работы трансформаторного агрегата. Допустим, что возникло продольное короткое замыкание обмотки 4 трансформатора 2. В этом случае напряжение на обмотке 4 трансформатора 2 станет равным нулю, а напряжение на обмотке 3 трансформатора 1 увеличится и станет равным напряжению между выводами 7 и 8 трансформаторного агрегата, при этом напряжение на обмотке 6 трансформатора 2 также уменьшится практически до нуля, а напряжение на обмотке 5 трансформатора 1 увеличится и станет практически равным напряжению между выводами 9 и 10, значение которого практически не изменится, вследствие чего обеспечивается возможность продолжения работы трансформаторного агрегата. Поэтому магнитные системы каждого из трансформаторов 1 и 2 должны быть рассчитаны на действие полного напряжения между выводами 7 и 8, 9 и 10 трансформаторного агрегата в течение расчетного времени существования продольного короткого замыкания обмотки 4. При этом из выражений для вычисления магнитодвижущих сил каждого из трансформаторов 1 и 2 вытекает, что через ветвь, которая образовала продольное короткое замыкание обмотки 4 трансформатора 2, будет протекать разница токов намагничивания трансформаторов 1 и 2, значения которых приведены соответственно к числу витков обмотки 3 трансформатора 1 и обмотки 4 трансформатора 2.

Аналогично во время продольного короткого замыкания обмотки 6 трансформатора 2 через ветвь, которая образовала такое замыкание, будет протекать также разница токов намагничивания трансформаторов 1 и 2, но значения которых приведены уже соответственно к числу витков обмотки 5 трансформатора 1 и обмотки 6 трансформатора 2. В обоих рассмотренных случаях значения этих разниц токов намагничивания трансформаторов в сотни раз меньше от номинальных значений токов соответствующих обмоток трансформаторов, то есть имеет место параметрическое увеличение сопротивления трансформаторного агрегата относительно ветви, которая образовала продольное короткое замыкание обмотки.

Следовательно, режим продольного короткого замыкания одной из обмоток 3-6 одного из трансформаторов 1, 2 трансформаторного агрегата принципиально отличается от режима продольного короткого замыкания обмотки типичного случая отдельно работающего трансформатора, во время которого в ветви, которая образовала такое короткое замыкание, будет протекать ток в несколько раз больший от номинального значения тока этой обмотки.

Режим короткого замыкания части витков одной из обмоток 3-6 одного из трансформаторов 1, 2 трансформаторного агрегата также принципиально будет отличаться от режима короткого замыкания аналогичной части витков обмотки отдельно работающего трансформатора. Допустим, что возникло короткое замыкание части витков обмотки 4 трансформатора 2. Тогда в ветви, которая образовала короткое замыкание, будет протекать ток, значение которого пропорционально отношению разницы соответственно приведенных токов намагничивания трансформаторов 1 и 2 к относительному числу закороченных витков обмотки 4. В предельном случае короткого замыкания одного витка обмотки 4 значение этого тока будет равняться разнице соответственно приведенных токов намагничивания трансформаторов 1 и 2 умноженной на число витков обмотки 4 и может в несколько раз превышать номинальное значение тока этой обмотки. Вместе с тем, во время аналогичного режима типичного случая отдельно работающего трансформатора значение тока в ветви, которая образовала короткое замыкание одного витка обмотки, будет превышать номинальное значение тока этой обмотки в десятки и сотни раз. Следовательно, относительно малое значение токов во время витковых коротких замыканий в предложенном трансформаторном агрегате будет обеспечивать уменьшение местного нагрева и электродинамических усилий на закороченные витки и будет содействовать погасанию дуги и самоликвидации повреждения в среде трансформаторного масла, особенно для маломощных трансформаторов, что повысит надежность работы трансформаторного агрегата.

Для варианта трансформаторного агрегата (фиг.2), трансформаторы 1 и 2 которого выполнены соответственно с дополнительными другими обмотками 11 и 12, соединенными соответственно последовательно между собой, и с дополнительными выводами 13 и 14, особенности режимов во время витковых коротких замыканий обмоток полностью аналогичны описанным выше для трансформаторного агрегата на фиг.1, что также обеспечивает повышение надежности работы трансформаторного агрегата, трансформаторы которого выполнены с дополнительными другими обмотками.

В трансформаторном агрегате (фиг.3), трансформаторы 1 и 2 которого выполнены соответственно с устройствами 11 и 12 изменения количества витков соответственно обмоток 3 и 4, обеспечивается возможность регулирования напряжения между выводами 7 и 8 или 9 и 10 трансформаторного агрегата, при этом при условии, что после изменения количества витков обмоток 3 и 4 коэффициенты трансформации трансформаторов 1 и 2 будут равны между собой, особенности режимов во время витковых коротких замыканий обмоток полностью аналогичны описанным выше для трансформаторного агрегата на фиг.1, что обеспечивает повышение надежности работы.

В трансформаторном агрегате (фиг.4), каждая из обмоток 3-6 трансформаторов 1 и 2 которого соединена соответственно параллельно с соответствующими выходными выводами 21-28 соответствующих тококомпенсирующих блоков 17-20, во время витковых коротких замыканий через ветвь, которая образовала такое замыкание, будет протекать ток, значение которого будет равняться разнице соответственно приведенных токов намагничивания трансформаторов 1 и 2 и токов тококомпенсирующих блоков 17-20, которые будут обеспечивать необходимую компенсацию реактивных составляющих токов намагничивания трансформаторов 1 и 2 и тем самым уменьшение значения тока в ветви, которая образовала витковое короткое замыкание, по сравнению с трансформаторным агрегатом на фиг.1. Кроме того, тококомпенсирующие блоки 17-20 могут уменьшать воздействие импульсных перенапряжений на витковую изоляцию обмоток 3-6 трансформаторов 1 и 2, что также повышает надежность работы трансформаторного агрегата. Такое параллельное соединение обмоток трансформаторов с соответствующими выходными выводами соответствующих тококомпенсирующих блоков может выполняться также в трансформаторных агрегатах, изображенных на фиг.2, 3.

В трансформаторном агрегате (фиг.5), в котором тококомпенсирующие блоки 17-20 выполнены с соответствующими входными выводами 29-36, к которым приложены соответствующие напряжения, во время режимов витковых коротких замыканий тококомпенсирующие блоки 17-20 будут обеспечивать дополнительно необходимую компенсацию активных составляющих токов намагничивания трансформаторов 1 и 2 и тем самым дополнительное по сравнению с трансформаторным агрегатом на фиг.4 уменьшение значения тока в ветви, которая образовала витковое короткое замыкание, что повысит надежность работы трансформаторного агрегата.

Предложенный трансформаторный агрегат реализуется с использованием стандартного оборудования и может найти применение во время сооружения новых и реконструкции действующих электростанций и подстанций. Он позволяет путем уменьшения значений токов во время витковых коротких замыканий обмоток существенно улучшить условия работы трансформаторов, ограничить объем разрушений и ремонтов, или даже полностью устранить их и тем самым повысить надежность работы электростанций и подстанций. Для примера были выполнены расчеты режимов короткого замыкания одного витка обмотки низшего напряжения (номинальное напряжение - 10, 5 кВ, количество витков обмотки - 360) силового трансформатора ТМ- 6300/35 как для стандартного случая его отдельной работы, так и для случая работы двух таких трансформаторов в составе предложенного трансформаторного агрегата. Такие режимы короткого замыкания одного витка характеризуются наибольшими значениями токов в ветви, которая образовала короткое замыкание. Для стандартного случая отдельной работы трансформатора значение тока короткого замыкания одного витка составляет 217,7I_ном, а для случая работы трансформатора в составе трансформаторного агрегата (фиг.1) - всего 2,3I_ном. Компенсация реактивных составляющих токов намагничивания трансформаторов трансформаторного агрегата при помощи тококомпенсирующих блоков (фиг.4) привела к дополнительному уменьшению значения тока виткового короткого замыкания в 5,3 раза, т.е. до уровня 0,43I_ном.

Применение трансформаторного агрегата в схемах основных электрических соединений электростанций и подстанций требует установки двух трансформаторов с такими же параметрами, которые имеет один трансформатор в типовых схемах. Поэтому тепловые потери активной мощности в обмотках каждого из трансформаторов трансформаторного агрегата будут такими же, а в стали - в четыре раза меньшими, по сравнению с соответствующими потерями типичного случая отдельно работающего трансформатора. Пренебрегая в первом приближении потерями активной мощности в стали трансформаторов трансформаторного агрегата и приняв для мощных трансформаторов отношение потерь активной мощности холостого хода к потерям "короткого замыкания" ΔР_к равным ΔР_х/ΔР_к=0,37, получим, что увеличение потерь активной мощности в трансформаторном агрегате во время режима нагрузки номинальным током составляет:

ΔР_m.a./ΔР_m.=2ΔР_K/(ΔР_х+ΔР_к)-2ΔР_к/(1,37ΔP_к)=1,46.

Для характерного графика нагрузки с Т_нб=5000 час., cosϕ_ном=0,85 получим время максимальных потерь τ=3500 час. При таких условиях суммарные годовые потери энергии в трансформаторном агрегате будут составлять 104%, а в каждом из его трансформаторов - 52% от потерь энергии для типичного случая в отдельно работающем трансформаторе.

При принятом выше соотношении ΔР_х/ΔР_к такое уменьшение потерь активной мощности и энергии в каждом из трансформаторов трансформаторного агрегата приведет к уменьшению в установившихся режимах температуры верхних слоев масла на 10,8°С, что увеличит срок работы этих трансформаторов в 2^10,8/6=3,5 раза и соответственно уменьшит в 3,5 раза параметр потока отказов каждого из этих трансформаторов. Следовательно, параметр потока отказов трансформаторного агрегата, который состоит из двух последовательно соединенных трансформаторов, параметр потока отказов которых во время их работы в типовых схемах равнялся 0,05, будет составлять 2·0,05/3,5=0,029, т.е. уменьшится в 1,75 раз. Увеличение срока службы трансформаторов трансформаторного агрегата в 3,5 раз, а также уменьшение объема разрушений во время витковых коротких замыканий позволяет уменьшить составляющие амортизационных отчислений на реновацию и капитальный ремонт.

Применение трансформаторного агрегата целесообразно, если увеличение расчетных затрат окупается уменьшением убытков от аварийных выключений за счет высшей его надежности.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроэнергетике, электростанциях и подстанциях с трансформаторами. Трансформаторный агрегат содержит два трансформатора, которые выполнены с одинаковым количеством обмоток и с одинаковыми коэффициентами трансформации. Одни обмотки соединены соответственно последовательно между собой и с одними выводами трансформаторного агрегата. Другие обмотки соединены последовательно между собой и с другими выводами трансформаторного агрегата. Трансформаторы могут быть выполнены с устройствами изменения количества витков обмоток. Обмотки трансформаторов могут быть соединены параллельно с выходными выводами тококомпенсирующих блоков. Тококомпенсирующие блоки могут быть выполнены с входными выводами, к которым приложены напряжения. Технический результат заключается в повышении надежности работы за счет уменьшения значения тока в закороченных витках обмотки и в ветви, которая образовала такое замыкание, местного нагрева и электродинамических усилий на эти витки. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Трансформаторный агрегат, содержащий два трансформатора, одни обмотки которых соединены последовательно между собой и с одними выводами трансформаторного агрегата, отличающийся тем, что указанные трансформаторы выполнены с одинаковым количеством других обмоток и с одинаковыми коэффициентами трансформации, при этом указанные другие обмотки соединены последовательно между собой и с другими выводами трансформаторного агрегата.2. Трансформаторный агрегат по п.1, отличающийся тем, что указанные трансформаторы выполнены с устройствами изменения количества витков в обмотках, выполненными с обеспечением регулирования напряжения между указанными выводами трансформаторного агрегата так, что после изменения количества витков обмоток коэффициенты трансформации указанных трансформаторов равны между собой.3. Трансформаторный агрегат по п.1 или 2, отличающийся тем, что обмотки указанных трансформаторов соединены параллельно с выходными выводами тококомпенсирующих блоков, выполненных с обеспечением возможности компенсации реактивных составляющих токов намагничивания указанных трансформаторов.4. Трансформаторный агрегат по п.1 или 2, отличающийся тем, что обмотки указанных трансформаторов соединены параллельно с выходными выводами тококомпенсирующих блоков, к входным выводам которых приложены напряжения и которые выполнены с обеспечением возможности компенсации активных составляющих токов намагничивания указанных трансформаторов.